隔震建筑結構設計方法與應用

摘要：近年來地震頻發，隨著我國國民經濟水平的提高以及民眾抗震意識的增強，隔震建筑越來越被人們所認同和親睞，在歷次國內外地震中，隔震建筑都表現出了良好的抗震性能，向世人展示了柔性隔震結構的巨大優勢。本文就此為切入點，分析探討了隔震建筑結構設計的方法，最后對其隔震技術在建筑結構設計中的應用進行了闡述，以供參考。

關鍵詞：隔震;建筑結構;結構設計;應用

一、隔震建筑結構設計的方法分析

1、性能化設計

隔震設計從某種方面上講就是性能化設計思想的體現，而確定性能化設計的目的在于明確整體結構的抗震設防目標和各分部構件的性能水準，使抗震設防目標更加細化并充分考慮結構用途、業主和使用者的特定性要求，在設計時做到有的放矢，使隔震建筑能在完成預定功能過程中達到安全性和經濟性的最佳平衡點，其結構整體性能目標見表1。

表1""結構整體性能目標參考表

大震下應控制位移角，其目的有以下三點，其一，使大震下有較高的抗震安全性建筑及重要和避險等地震中不能中斷使用功能的建筑達到預期設計要求;其二，出于經濟性考慮，如果大震下不控制合理的結構變形，則可能導致結構破壞而需大修，則總體造價會增加，這與設置隔震層的初衷相背離;其三，上部結構抗震措施降低使延性降低，可能導致大震下完成預定功能概率降低。

2、隔震層參數的設計

大震下隔震層的良好柔度和耗能能力阻隔了大部分地震能量向上部結構的傳遞，如果隔震層失效則整體結構失去抵抗地震作用的屏障，本質上是單一抗震防線結構體系，因此隔震層的設計是整個結構抗震設計的關鍵，應遵循“大震不壞”的設計原則。

隔震層包括隔震支座、阻尼裝置、抗風裝置和限位裝置，阻尼裝置和抗風裝置可與隔震支座合為一體也可單獨設置。

隔震層設計內容應滿足：豎向承載力、必要的水平剛度、設防烈度下的水平恢復力和阻尼以及罕遇地震下水平位移和穩定性要求（保證在地震中保持穩定，不宜出現不可恢復的變形），應控制橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下，拉應力不應大于規范限值。隔震層應滿足必要構造措施。

3、下部結構獨立柱設計方法

當房屋采用層間隔震時（設置在地下室、一層柱頂或多塔樓的底盤上），應重視下部結構設計。由于設置了隔震層使傳統結構水平地震力傳遞機制發生改變而導致下部結構直接承受很大的地震基底剪力和傾覆力矩。當采用層間隔震時，隔震層下部結構應滿足規范GB50011—2010第12.2.9條嵌固端剛度比和罕遇烈度下承載力驗算和彈塑性變形驗算的要求。

4、地基基礎設計

根據規范GB50011—2010第12.1.3條，隔震結構應選用穩定性較好的基礎類型。高寬比大于4的結構小震下基礎不應出現拉應力。

濕陷性場地建筑宜采用完全消除場地濕陷的地基處理方法，對于部分消除濕陷性的設計應執行GB50025—2004濕陷性黃土地區建筑規范附錄G的規定要求。

對于軟弱場地基礎設計宜按變形設計，考慮調平設計方案，調節沉降差，優先采用樁基礎。

基礎設計時可按本地區抗震設防烈度進行內力計算和承載力驗算。進行基礎布置時，宜考慮豎向剛度調平設計，使基底反力盡量趨于一致，避免較大的差異沉降。因隔震支座抗拉強度很小，故在進行基礎設計時不能考慮上部結構剛度的貢獻，設置變形縫兩側地基基礎宜加強。

二、隔震技術在建筑結構設計中的應用

1工程概況

某中學教學樓，四層，無地下室，屋面為坡屋頂，檐口高度為15.3m，抗震設防類別為重點設防，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第三組，Ⅱ類建筑場地，多遇地震時加速度峰值取為35cm/s2，設防時加速度峰值100cm/s2，罕遇地震時取為220cm/s2。結構設計使用年限為50年，結構安全等級為II級，基礎的設計等級為乙級，基礎持力層為稍密卵石層，場地內分部著細沙層為液化土，地基液化等級綜合判定為中等。

標準層結構平面布置如圖1，由于平面的長寬比較大，短方向剛度較弱，故在短向適當布置少量剪力墻，上部結構為框架剪力墻結構。

圖1標準層結構平面布置圖

采用基礎隔震方案，即將隔震層設置在上部結構和基礎之間，為了方便安裝及維修隔震裝置，隔震層的高度為2.0m。

2、隔震目標的確定

隔震設計首先應明確隔震設計的目標，上部結構按降低后的水平地震作用進行抗震設計。需要明確的是：場地的抗震設防烈度并沒有降低，僅僅是水平地震作用降低，豎向地震作用保持不變。該工程上部結構水平地震作用按降低一度考慮。按《建筑抗震設計規范》的12.2.5公式得出：

水平向減震系數：

3、隔震支座布置

上部結構按非隔震模型在預期設定的隔震目標下（考慮水平減震系數）的多遇地震的彈性計算（反應譜法），取恒+活基本組合的柱軸力設計值，確定隔震支座的直徑。乙類建筑的隔震支座的平均壓應力不大于12.0MPa。共設置了27個橡膠隔震支座，其中普通疊層橡膠支座（LNR）18個，鉛芯疊層橡膠支座（LRB）9個。隔震支座的豎向承載力之和與柱底軸力設計值之和的比值>1.1。

隔震支座除滿足豎向承載力的要求外，隔震層還應提供必要的側向剛度和阻尼，以抵抗正常使用階段的風荷載及小震下產生的位移，使建筑保持穩定不產生晃動。隔震層的屈服力為F=98×9=882kN大于風荷載設計值FW=496.3kN。

4、結構設計

4.1基礎設計

隔震結構應選用穩定性較好的基礎形式。由于該工程所在的場地土為中等液化土層，故地基采用換填地基，將液化層挖除，用級配良好的砂卵石填筑，并分層夯實，壓實系數不小于0.94。地基承載力特征值不小于250KPa，基礎采用整體性較好的柱下交叉梁基礎形式，按非隔震結構計算基礎的內力及配筋。

4.2隔震層的下部結構設計

隔震層的下部結構指隔震層與基礎間的結構，結構形式有：獨立柱、獨立柱加基礎梁、地下室。該工程采用獨立柱即懸臂柱，內力采用罕遇地震作用下的隔震支座的豎向力、水平剪力。如圖2，柱頂彎矩：

P為在罕遇地震時設計組合工況下產生的軸向力;VX和Vy為罕遇地震時設計組合工況下產生的X和Y向水平剪力。UX、Uy為罕遇地震作用下隔震支座產生的水平位移;H為懸臂柱的高度。

懸臂柱在柱頂軸力及彎矩作用下，可以計算出柱的配筋。柱截面分別為900×900、1000×1000及1100×1100。

圖2獨立柱計算簡圖

4.3上部結構設計

由于隔震支座只傳遞上部結構的軸力和水平剪力，不傳遞彎矩，故上部結構計算模型的柱下端采用鉸接。上部結構按照傳統的抗震結構進行計算，水平地震作用根據水平向減震系數進行折減。由于該工程為重點設防類建筑，抗震構造措施不降低，仍按當地設防烈度提高一度設防。

隔震層頂部設置現澆梁板結構，板厚不小于160mm，作為上部結構的嵌固部位，樓板配筋采用雙層雙向，配筋率不小于0.25%。上部的剪力墻處設置轉換梁構件，轉換梁截面尺寸為600×1200。

結束語

綜上所述，良好的隔震建筑結構設計不僅對于維護人民的生命財產安全具有重要的現實意義，對于預防地震災害等自然災害維護社會的繁榮穩定方面更具有深遠的影響。但是為了使建筑隔震技術能夠更好的應用在建筑結構上，還需要我們進一步深入的研究。而且建筑隔震技術是一項綜合性很強的技術，涉及到了行政、設計、施工等多個環節。所以，在今后的研究中一定要結合建筑物的特點，全面深入的研究隔震技術的應用。

參考文獻：

[1]黃世敏，楊沈.建筑震害與設計對策[M].中國計劃出版社.2011.

[2]蘇經宇，曾德民，田杰.隔震建筑概論[M].北京：冶金工業出版社，2012